CN209858859U - 光学系统及具有其的虚拟现实设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学系统及具有其的虚拟现实设备，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元，第一透镜，第二透镜以及出瞳面；所述第一透镜包括凸向所述显示单元的第一表面以及靠近所述第二透镜一侧的第二表面；所述第一表面为非球面结构，所述第二表面为二元光学表面微结构；所述第二透镜包括靠近所述第一透镜一侧的第三表面以及远离所述第一透镜一侧的第四表面；所述第三表面为菲涅尔结构。本实用新型提供一种光学系统及具有其的虚拟现实设备，旨在解决现有技术中虚拟现实设备的光学系统中边缘成像质量较差，色差较大的问题。

Description

光学系统及具有其的虚拟现实设备

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光学系统及具有其的虚拟现实设备。

背景技术

现有的虚拟现实设备中，用于成像的光学系统通常是由单片的透镜组成，并且需要配合较大的显示屏幕，从而使虚拟现实设备能够具有较大的视场角，当光学系统要求的视场角大于或等于100度时，不仅光学系统中的显示屏幕与透镜的体积较大，并且成像质量较差，色差较大，影响用户的观看体验。

实用新型内容

本实用新型提供一种光学系统及具有其的虚拟现实设备，旨在解决现有技术中虚拟现实设备的光学系统中边缘成像质量较差，色差较大的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种光学系统，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元，第一透镜，第二透镜以及出瞳面；

所述第一透镜包括凸向所述显示单元的第一表面以及靠近所述第二透镜一侧的第二表面；

所述第一表面为非球面结构，所述第二表面为二元光学表面微结构；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜一侧的第三表面以及远离所述第一透镜一侧的第四表面；

所述第三表面为菲涅尔结构。

可选地，所述第一透镜的光焦度为正值；所述第一表面的光焦度的取值范围为：

所述第二透镜的光焦度为正值；所述第三表面的光焦度的取值范围为：

可选地，所述第一透镜的中心厚度大于或等于4mm，并且小于或等于10mm；所述第二透镜的中心厚度大于或等于1mm，并且小于或等于5mm。

可选地，所述第四表面为平面结构。

可选地，所述第四表面为非球面结构，所述第四表面的光焦度的取值范围为：

可选地，所述第三表面包括若干个依次连接的锯齿形同心环，所述锯齿形同心环的环间距为0.3mm。

可选地，所述第一透镜与所述第二透镜均为光学塑料材质。

可选地，所述第一透镜的折射率n1的取值范围为1.45<n1<1.6，所述第二透镜的折射率n2的取值范围为1.45<n2<1.6；

所述第一透镜的色散系数v1的取值范围为50<v1<75，所述第二透镜的色散系数v2的取值范围为50<v2<75。

可选地，所述第二表面的中心至所述第三表面的中心距离大于或等于 0.5mm并且小于或等于1.5mm。

可选地，所述第四表面的中心至所述出瞳面的中心距离大于或等于14mm。

为实现上述目的，本申请提出一种虚拟现实设备，所述虚拟现实设备包括所述的光学系统。

本申请提出的技术方案中，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元，第一透镜，第二透镜以及出瞳面；所述第一透镜包括凸向所述显示单元的第一表面以及靠近所述第二透镜一侧的第二表面；所述第一表面为非球面结构，所述第二表面为二元光学表面微结构；所述第二透镜包括靠近所述第一透镜一侧的第三表面以及远离所述第一透镜一侧的第四表面；所述第三表面为菲涅尔结构。通过所述第一透镜与所述第二透镜的组合，使所述入射光线在经过所述第一透镜与所述第二透镜后进入人眼时，能够具有较大的视场角，并且提高了所述光学系统的各区域的成像质量，并且通过二元光学表面微结构，对光学系统的色差进行校正，从而提供一种低色差高解像度的光学系统，解决了现有技术中虚拟现实设备的光学系统边缘成像质量较差，色差较大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本实用新型光学系统一实施例的光路示意图；

图2是本实用新型光学系统一实施例的点列图；

图3是本实用新型光学系统一实施例的调制解调函数图；

图4是本实用新型光学系统一实施例的场曲与畸变图；

图5是本实用新型光学系统一实施例的垂轴色差图；

图6是本实用新型光学系统又一实施例的光路示意图；

图7是本实用新型光学系统又一实施例的点列图；

图8是本实用新型光学系统又一实施例的调制解调函数图；

图9是本实用新型光学系统又一实施例的场曲与畸变图；

图10是本实用新型光学系统又一实施例的垂轴色差图；

图11是本实用新型光学系统的菲涅尔结构示意图；

图12是本实用新型光学系统的二元光学表面微结构的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示单元	30	第二透镜
20	第一透镜	31	第三表面
				21	第一表面	32	第四表面
22	第二表面	40	出瞳面

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提供一种光学系统及具有其的虚拟现实设备。

请参照图1，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元10，第一透镜20，第二透镜30以及出瞳面40；

所述第一透镜20包括凸向所述显示单元10的第一表面21以及靠近所述第二透镜30一侧的第二表面22；

所述第一表面21为非球面结构，所述第二表面22为二元光学表面微结构；

所述第二透镜30包括靠近所述第一透镜20一侧的第三表面31以及远离所述第一透镜20一侧的第四表面32；

所述第三表面31为菲涅尔结构。

其中，菲涅尔结构是由从小到大的同心环组成的透镜结构，由菲涅尔结构组成的菲涅尔透镜相比与普通透镜，减小了透镜的体积，并且能够用于代替普通透镜，降低了光学系统的成本。

其中，所述二元光学表面微结构是基于衍射原理，以二阶或多台阶的表面微结构来实现光波位相变换，以衍射光学方式对波前复振幅分布产生作用的结构特征。具体的，所述二元光学表面微结构可以通过纳米压印或光刻的方式进行加工。优选地，所述第二表面22为由多个台阶组成的微结构表面，其中所述台阶的长度随着与所述第二透镜30光轴的距离增加而增大。

具体实施方式中，出瞳面40用于表示人眼的位置，所述显示单元10发出的光线在经过所述第一透镜20以及所述第二透镜30后进入人眼。

本申请提出的技术方案中，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元 10，第一透镜20，第二透镜30以及出瞳面40；所述第一透镜20包括凸向所述显示单元10的第一表面21以及靠近所述第二透镜30一侧的第二表面22；所述第一表面21为非球面结构，所述第二表面22为二元光学表面微结构；所述第二透镜30包括靠近所述第一透镜20一侧的第三表面31以及远离所述第一透镜 20一侧的第四表面32；所述第三表面31为菲涅尔结构。通过所述第一透镜20 与所述第二透镜30的组合，使所述入射光线在经过所述第一透镜20与所述第二透镜30后进入人眼时，能够具有较大的视场角，并且提高了所述光学系统的各区域的成像质量，并且通过二元光学表面微结构，对光学系统的色差进行校正，从而提供一种低色差高解像度的光学系统，解决了现有技术中虚拟现实设备的光学系统边缘成像质量较差，色差较大的问题。

在一些可选的实施方式中，所述第一透镜20的光焦度为正值；所述第一表面21的光焦度的取值范围为：

所述第二透镜30的光焦度为正值；所述第三表面31的光焦度的取值范围为：

其中，光焦度用于表示光学系统偏折光线的能力，等于光学系统像方光束会聚度与物方光束会聚度之差。

在一些可选的实施方式中，所述第一透镜20的中心厚度大于或等于4mm，并且小于或等于10mm；所述第二透镜30的中心厚度大于或等于1mm，并且小于或等于5mm。

在一些可选的实施方式中，所述第四表面32为平面结构。

在一些可选的实施方式中，所述第四表面32为非球面结构，具体的，所述第四表面32的光焦度的取值范围为：并且所述第四表面32 的曲面平滑，并且无反曲现象。

在一些可选的实施方式中，由于所述第三表面31为菲涅尔结构，因此所述第三表面31包括若干个依次连接的锯齿形同心环，其中所述锯齿形间距为 0.3mm。具体的，每个所述锯齿形同心环包括第一工作面以及垂直于所述第四表面32的第二工作面，所述第一工作面倾斜与所述第四表面32设置。优选的，所述第一工作面为平面结构，所述第一工作面的深度随着距离所述第二透镜30中心的距离增加而增加。

在一些可选的实施方式中，所述第一透镜20与所述第二透镜30的材质均为光学塑料材质。相比于光学玻璃，光学塑料具有可塑性强，重量轻，加工成本低的优点，常用的光学塑料的折射率通常大于或等于1.42并且小于或等于1.69。可以理解的是，于另一实施方式中，所述第一透镜20与所述第二透镜30还可以使用光学玻璃材料。

在一些可选的实施方式中，所述第一透镜20的折射率n1的取值范围为 1.45<n1<1.6，所述第二透镜30的折射率n2的取值范围为1.45<n2<1.6。其中，折射率用于表示在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比，折射率越高，表示入射光发生折射的能力越强。另外，所述第一透镜20的色散系数v1的取值范围为50<v1<75，所述第二透镜30的色散系数v2的取值范围为 50<v2<75。其中，色散系数用于衡量透镜的成像品质，色散系数通常用阿贝数进行表示，具体的，色散系数越大时，代表色散越不明显，透镜的成像质量越好，色散系数越小时代表色散越明显，透镜的成像质量越差，为了保证用户的观察质量，用于观察的透镜的色散系数通常大于30。通常情况下，色散系数与镜片的折射率成反比，当透镜的折射率越大时，透镜的色散系数越小，色散越明显。

在一些可选的实施方式中，所述第二表面22的中心至所述第三表面31的中心距离大于或等于0.5mm并且小于或等于1.5mm。

在一些可选的实施方式中，所述第四表面32的中心至所述出瞳面40的中心距离大于或等于14mm。

本实用新型还提出一种虚拟现实设备，所述虚拟现实设备包括如上述任一实施方式所述的光学系统，该光学系统的具体结构参照上述实施例，由于该光学系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元，第一透镜，第二透镜以及出瞳面；

所述第一透镜包括凸向所述显示单元的第一表面以及靠近所述第二透镜一侧的第二表面；

所述第一表面为非球面结构，所述第二表面为二元光学表面微结构；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜一侧的第三表面以及远离所述第一透镜一侧的第四表面；

所述第三表面为菲涅尔结构。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的光焦度为正值；所述第一表面的光焦度的取值范围为：

所述第二透镜的光焦度为正值；所述第三表面的光焦度的取值范围为：

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的中心厚度大于或等于4mm，并且小于或等于10mm；所述第二透镜的中心厚度大于或等于1mm，并且小于或等于5mm。

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第四表面为平面结构。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第四表面为非球面结构，所述第四表面的光焦度的取值范围为：

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第三表面包括若干个依次连接的锯齿形同心环，所述锯齿形同心环的环间距为0.3mm。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜均为光学塑料材质。

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的折射率n1的取值范围为1.45<n1<1.6，所述第二透镜的折射率n2的取值范围为1.45<n2<1.6；

所述第一透镜的色散系数v1的取值范围为50<v1<75，所述第二透镜的色散系数v2的取值范围为50<v2<75。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二表面的中心至所述第三表面的中心距离大于或等于0.5mm并且小于或等于1.5mm。

10.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第四表面的中心至所述出瞳面的中心距离大于或等于14mm。

11.一种虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备包括如权利要求1-10任一项所述的光学系统。